Om du vill veta var du är i rymden är det bättre att ta med en karta. Men det är lite knepigare än att åka hagelgevär på en familjeresa.
Navigering av rymdfarkoster utanför jordens omloppsbana utförs vanligtvis av uppdragskontroll. En serie radiokommunikationsnätverk över hela planeten, känd som Deep Space Network, tillåter operatörer att checka in med rymdsonder och uppdatera deras navigeringsstatus. Systemet fungerar, men det kan vara bättre. Tänk om en rymdfarkost kunde bestämma sin position självständigt, utan att behöva ringa hem? Det har varit flygingenjörernas dröm länge, och det är på väg att bli verklighet.
Pulsarer är nyckeln.
Pulsarer är snurrande neutronstjärnor – de ultratäta kärnorna av exploderade superjättestjärnor – som sänder ut strålar av elektromagnetisk strålning från sina poler. De fungerar som interstellära beacons som upprepade gånger skickar radiosignaler till jorden i en tillförlitlig takt. Den första pulsaren upptäcktes av Jocelyn Bell 1967 och döptes till LGM-1 (Little Green Men 1), för tills en andra upptäcktes kunde utomjordisk intelligens inte uteslutas som orsaken till pulsaren. Nu känner vi tusentals av dem och är övertygade om att de är naturfenomen.
Eftersom pulsarstrålar är så förutsägbara kan de användas för en sorts triangulering, där en rymdfarkost som tar emot överlappande pulsarsignaler ska kunna bestämma sin position i rymden cirka 5 till 10 kilometer bort.
Den teoretiska grunden för denna metod är solid. Så mycket att de gyllene skivorna (tidskapslarna från jorden och mänsklig kultur) som var fästa vid sidan av rymdfarkosterna Voyager och Pioneer på 1970-talet grafiskt angav positionen för vår sol i förhållande till 14 pulsarer, just vid den händelse LGM skulle falla på den. rymdskeppet och vill besöka oss här på jorden. Vi gav dem instruktioner.
Men om pulsarer är en så effektiv form av navigering, varför används de inte redan? När allt kommer omkring har studier i ämnet pågått sedan 1970-talet, när Jet Propulsion Lab började undersöka denna möjlighet.
I alla rymduppdrag är en av de primära övervägandena vikt. Det är dyrt att skjuta upp saker i rymden, så varje kilogram på varje fordon måste räknas. Alla fungerande pulsarnavigeringssystem måste vara mycket små och mycket lätta, annars kan viktiga vetenskapliga instrument eller framdrivningsbränsle behöva reduceras för att kompensera för detta. Detta är ett betydande hinder för utformningen av ett livskraftigt pulsarnavigeringssystem. Pulsarer är i allmänhet otroligt svaga punktkällor, vilket gör dem svåra att upptäcka utan kraftfull (tung) utrustning, speciellt vid radiofrekvenser.
Lyckligtvis finns det en lösning som kan göra detta genomförbart, och det är att använda ett röntgenteleskop istället. Dessa kan vara mindre och lättare, och kan fortfarande ta upp pulsarsignaler såväl som en radioantenn.
De senaste åren har astronomer arbetat med förbättra metoderna med vilka en rymdfarkost bearbetar pulsarsignaler, öka systemets effektivitet och minska felmarginalerna. Materialet har till och med testats på den internationella rymdstationen, där storleken på en tvättmaskin MER VÄNT/SEXTANT Experimentet har framgångsrikt spårat platsen för stationen med hjälp av pulsarer sedan 2018. Nu arbetar team med att utveckla ännu mer kompakt hårdvara för djupa rymduppdrag. A förtryck publicerat på ArXiv beskrev förra månaden en prototyp av navigationsenhet som heter PODIUM, som kommer att väga bara 6 kg, använda 20W kraft och passa i en låda på 15 cm gånger 24 cm gånger 60 cm. De första resultaten är lovande. PODIUM ska kunna bestämma positionen för en rymdfarkost inom en radie av cirka 10 km, med hjälp av röntgensignaler från en katalog av pulsarer.
Snart kan dessa prototyper bli verklighet och vägleda nästa generation av rymdsonder till sina destinationer. De kommer sannolikt också att vägleda mänskligt klassade rymdfarkoster, med NASA:s nästa Lunar Gateway-rymdstation som kommer att vara utrustad med ett pulsarnavigeringssystem. Vi befinner oss i början av autonom navigering i rymden: som GPS, men för galaxen. Om vi bara hade varpmotorer…
Läs mer:
Karakteristisk bild: En pulsar med sina magnetfältslinjer illustrerade. Kredit: NASA.